Universo primordialo que aconteceu logo depois do Big Bang

No seu primeiro instante, o universo passou pela separação da gravidade, pela época da grande unificação, pela inflação, pelo reaquecimento e pela quebra de simetria eletrofraca. O passo decisivo foi a inflação: o espaço se expandiu por um fator de 10²⁶, depois o campo do ínflaton decaiu e sua energia de vácuo virou partículas e radiação. Só então começou de verdade um universo quente.

Quanto mais perto do início, mais dependemos de teoria e não de observação direta. Parte do que segue foi confirmada por observação e parte ainda é um arcabouço teórico, então tenha essa diferença em mente ao ler.

As primeiras sete etapas

• 10⁻⁴³ s · Época de Planck: Tempo e espaço começam a ter sentido. Antes disso, palavras como "antes e depois" ou "perto e longe" ainda não se aplicam.
• 10⁻⁴³ s · A gravidade se separa: A gravidade se desprende da força unificada e vira uma interação própria.
• 10⁻³⁶ s · Época da grande unificação: As forças forte, fraca e eletromagnética ainda são uma só, como uma única tinta que ainda não foi despejada em três frascos.
• 10⁻³⁶ s · Inflação cósmica: O espaço se expande por um fator de 10²⁶. O que se estica é o próprio espaço, não as coisas dentro dele voando em todas as direções.
• 10⁻³² s · Fim da inflação: O campo do ínflaton decai.
• 10⁻³² s · Reaquecimento: A energia de vácuo vira partículas e radiação. A inflação deixou o universo enorme e frio; o reaquecimento liberou a energia armazenada, que virou a fonte de toda a matéria e luz posteriores.
• 10⁻¹² s · Quebra de simetria eletrofraca: O campo de Higgs dá massa às partículas, e partículas diferentes passam a ter seu próprio "peso".

O universo em expansão: da teoria à observação

Que o universo se expande foi primeiro deduzido na teoria, e três artigos passaram o bastão. Alexander Friedmann mostrou pela relatividade geral que o universo podia se expandir ou se contrair, sete anos antes das evidências observacionais (Friedmann, Zeitschrift für Physik, 1922). Georges Lemaître propôs de forma independente que o universo está em expansão e depois o imaginou começando de um "átomo primitivo", uma forma inicial da teoria do Big Bang (Lemaître, Annales de la Société Scientifique de Bruxelles, 1927). A observação veio depois: quanto mais longe uma galáxia está de nós, mais rápido ela se afasta, então o universo não é estático (Hubble, PNAS, 1929). O artigo de Hubble se intitula "A relation between distance and radial velocity among extra-galactic nebulae". O de Friedmann tratava da curvatura do espaço, e o de Lemaître de um universo homogêneo de massa constante e raio crescente. Postos lado a lado, os três artigos seguem a ordem "primeiro a teoria, depois a observação".

Inflação: por que o universo é tão plano e uniforme

Alan Guth propôs que o universo primitivo se expandiu exponencialmente, o que explicou de uma só vez por que o universo é tão plano e por que sua temperatura é quase a mesma em toda parte (Guth, Physical Review D, 1981). O título do artigo dele, "Inflationary universe: A possible solution to the horizon and flatness problems", nomeia os dois enigmas. O primeiro pergunta por que regiões distantes têm quase a mesma temperatura; o segundo pergunta por que o universo parece tão plano. O modelo original tinha uma falha, porém. Andrei Linde resolveu o problema de como a inflação poderia terminar de modo suave, o que tornou a teoria da inflação viável (Linde, Physics Letters B, 1982).

O universo ainda está acelerando hoje

Uma "vela padrão" é uma fonte de luz de brilho conhecido, como uma fileira de lâmpadas com a mesma potência: quanto mais fraca parece, mais longe está. Os pesquisadores usaram supernovas distantes como essas lâmpadas e descobriram que a expansão está se acelerando. A energia escura entrou em cena, e o trabalho ganhou o Nobel de 2011 (Riess et al., The Astronomical Journal, 1998). Outra equipe chegou de forma independente à mesma conclusão: alguma energia no universo está impulsionando a aceleração (Perlmutter et al., The Astrophysical Journal, 1999). O satélite Planck deu os parâmetros cosmológicos mais precisos até hoje: uma idade de cerca de 13,8 bilhões de anos, com a matéria comum respondendo por apenas cerca de 5% (Planck Collaboration, Astronomy & Astrophysics, 2020).

De onde vem a massa

Peter Higgs propôs um campo que preenche todo o espaço e dá massa às partículas, e previu uma nova partícula (Higgs, Physical Review Letters, 1964). O Grande Colisor de Hádrons encontrou uma nova partícula de cerca de 125 GeV, confirmando uma previsão que esperava havia 48 anos (ATLAS Collaboration, Physics Letters B, 2012). Isso combina com a etapa de quebra de simetria eletrofraca acima: o campo de Higgs dá massa às partículas.

Como o jogo mostra isso

No jogo, a era Universo primordial começa em "0 s depois do Big Bang" e seu recurso é energia. Os geradores se chamam Flutuação quântica, Campo do ínflaton, Decaimento do vácuo e Reaquecimento, nomeados pelas ideias-chave acima.